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Main Title: The influence of magma ocean crystallization on mantle dynamics
Subtitle: investigating the Martian and lunar magma oceans
Translated Title: Der Einfluß von Magmaozeankristallisation auf Manteldynamik
Translated Subtitle: eine Untersuchung des Mars- und Mondmagmaozeans
Author(s): Maurice Olivier, Maxime
Advisor(s): Tosi, Nicola
Referee(s): Breitschwerdt, Dieter
Steinberger, Bernhard
Tosi, Nicola
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
References: 10.1002/2016JE005250
10.1126/sciadv.aba8949
Language Code: en
Abstract: The early stages of terrestrial planets evolution play a crucial role in determining their long-term development. In particular, the differentiation between an iron core and a silicate mantle is likely followed by the crystallization of a primordial magma ocean, controlling the initial conditions for solid-mantle thermal and dynamical evolution. Because it was thought that magma ocean crystallization was much faster than the onset of solid-mantle dynamics, the interplay between these two processes has not been considered so far. However, the outgassing of a thick opaque atmosphere from a crystallizing magma ocean, or the formation of a solid flotation lid at the surface can strongly slow down the solidifiation of the mantle. In this case, solid-state dynamics can set in before the end of the magma ocean’s lifetime, nducing peculiar regimes of mantle mixing and thermal feedback mechanisms. In this thesis, we use mantle convection tools to study the effects of the early onset of solid-state dynamics in a solidifying mantle. A general model of simultaneous magma ocean solidification and mantle convection is introduced for a case based on the Martian magma ocean. We show that for realistic parameters, it is likely that Mars underwent mantle convection and mixing before the complete solidification of its magma ocean. This new paradigm sheds new light on the possibility for the Martian mantle to sustain long-term mantle activity, as suggested by traces of late volcanism. We then apply this model to the case of the Moon, where the existence of a primordial magma ocean, solidifying below an insulating flotation crust, is best documented. We show that the thermal feedbacks resulting from simultaneous magma ocean solidification and mantle convection lead to a solidification of the lunar mantle extending over up to 200 millions of years, in agreement with geochronological estimates for the lunar crust age span. By coupling our thermal evolution simulations with a trace-element fractionation and radio-isotopes decay model, we reproduce the isotope systematics inherited from the lunar magma ocean, and use it to constrain the age of the Moon forming event to 4.40 to 4.45 Ga. Finally, as for Mars, we investigate the influence of the early onset of mantle convection on the long-term mantle dynamics of the Moon. In particular, we show that it enhances the mixing of Ti-bearing material throughout the lunar mantle. This mechanism is necessary to explain a class of high-Ti samples in the lunar mare basalts.
Vor allem die frühen Prozesse in der Entwicklung terrestrischer Planeten prägen die gesamte weitere Planetenentwicklung und sind daher für unser Verständnis der Entwicklung terrestrischer Planeten von besonderer Bedeutung. Neben der Differenzierung in einen metallischen Kern und einen silikatischen Mantel spielt bei vielen terrestrischen Planeten auch die Auskristallisation eines globalen Magmaozeans eine wichtige Rolle, da dieser Prozess zu einer weiteren Differenzierung des Silikatmantels führt und damit die Anfangsbedingungen für spätere thermische und dynamische Prozesse im festen Mantel festlegt. Dabei wird typischerweise angenommen, dass die Kristallisation des Magmaozeans so schnell ist, dass sie bereits abgeschlossen ist bevor Konvektion im festen Silikatmantel einsetzt. Daher wurden die Wechselwirkungen zwischen diesen Prozessen bisher nicht explizit untersucht. Allerdings könnten die Bildung einer dichten, opaken Atmosphäre durch Ausgasung des Magmaozeans oder die Bildung einer stabilen festen Kruste an der Oberfläche des Magmaozeans das Abkühlen des Magmaozeans stark verlangsamen. In diesem Fall kann Konvektion im festen Teil des Silikatmantels bereits einsetzen bevor der Magmaozean vollständig uskristallisiert ist, was durch die Wechselwirkung beider Prozesse zu einem eränderten Mischungsverhalten des Mantels und thermischen Rückkopplungsmechanismen führt. In dieser Doktorarbeit werden Mantelkonvektionsmodelle eingesetzt, um die Auswirkung des frühen Einsetzens von Konvektion in einem erstarrenden Silikatmantel zu untersuchen. Ein allgemeines Modell von gleichzeitiger Auskristallisation des Magmaozeans und Konvektion des festen Mantels wird für den Fall eines marsähnlichen Planeten vorgestellt. Es wird gezeigt, dass der frühe Beginn von Mantelkonvektion vor der vollständigen Verfestigung des Marsmantels warscheinlich ist und zu einer ausgeprägteren Homogenisierung des Mantels führen kann. Dieses neue Modell bietet eine mögliche geodynamische Grundlage für eine dauerhafte Aktivität des Marsmantels, auf die Spuren von jungem Vulkanismus hindeuten. In einem nächsten Schritt wird ieses Modell auf den Mond angewendet, für welchen die Existenz eines frühen agmaozeans und die Bildung einer auf dem Magma schwimmenden primären Kruste am besten dokumentiert ist. Es wird gezeigt, dass thermische Wechselwirkungen zwischen dem kristallisierenden Magmaozean und dem konvektierenden festen Mantel sowie die Bildung einer Kruste zu einer verlängerten Erstarrung des Mondmantels führen, welche in Übereinstimmung mit eochronologischen Schätzungen für die Altersspanne der Mondkruste bis zu 200 Millionen Jahren andauern kann. Durch die Kopplung der Simulation der thermischen Entwicklung des Mondes mit Modellen, welche die Fraktionierung von Spurenelementen und den Zerfall radioaktiver Isotope beschreiben, kann die Isotopensystematik von Mondgesteinen und chemischen Komponenten des Mondmantels reproduziert werden und somit das Alter des Mondes auf 4.40 - 4.45 Ga eingegrenzt werden. Anschließend wird der Einfluss eines frühen Beginns der Mantelkonvektionauf die langfristige Manteldynamik des Mondes untersucht. Insbesondere wird gezeigt, dass dieser Prozess zu einer homogeneren Verteilung von Ti-haltigem Material im Mondmantel führt – einer notwendigen Vorraussetzung zur Bildung Ti-reicher Marebasalte.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12148
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11022
Exam Date: 16-Nov-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 30-Dec-2020
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): planetology
geodynamics
magma ocean
mars
moon
Planetologie
Geodynamik
Magma-Ozean
Mars
Mond
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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